Imaging single Rydberg electrons and ions in a quantum gas

• Applicant: Professor Dr. Tilman Pfau
• Subject Area: Optics, Quantum Optics and Physics of Atoms, Molecules and Plasmas
• Term: from 2014 to 2022
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 262764871

• Final Report Year: 2022

Final Report Abstract

Zusammenfassend wurden in diesem Koselleck‐Projekt umfangreiche Untersuchungen von einzelnen Rydberg‐Atomen und Ionen in einem Bose‐Einstein Kondensat durchgeführt. Studien zur Wechselwirkung von Rydberg‐Atomen mit dem BEC waren von dem Ziel geleitet, diese Wechselwirkung zu nutzen um eine direkte optische Mikroskopie eines Rydbergelektronorbitals mit dem BEC als Kontrastmittel zu realisieren. Die experimentellen Studien haben das Verständnis dieser Wechselwirkung weiter vorangebracht. Es konnten Signaturen der p‐Wellen‐Streuresonanzen in der Elektron‐Atom‐Wechselwirkung beobachtet werden. Ebenso ist es gelungen, chemische Reaktionen des Rydberg‐Elektrons im BEC zu untersuchen. Diese Reaktionen führen unter anderem zu einer Zustandsänderung des Rydbergelektronorbitals. Das Verständnis der Zeitskala dieser Reaktionen ist damit entscheidend für den vorgeschlagenen Abbildungsmechanismus. Schlussendlich konnten Signaturen des Rydbergelektrons in der räumlichen Dichteverteilung des BECs durch hochauflösende Mikroskopie beobachtet werden. Des Weiteren wurden einzelne Ionen in einem BEC untersucht. Im Gegensatz zu eher traditionellen Ansätzen für die Implantierung gefangener Ionen in ein Quantengas, konnte hier gezeigt werden, dass einzelne Ionen auch ohne eine externe Falle hinreichen lange in einem BEC gehalten werden können um deren Wechselwirkung mit dem Kondensat zu studieren. Es konnte somit die Langevin‐Transportdynamik eines einzelnen Ions in einem BEC beobachtet werden. Ebenso ist es gelungen chemische Reaktionen des Ions im BEC zu untersuchen und insbesondere die Verteilung der Reaktionsprodukte besser zu verstehen.

Publications

• Hybridization of Rydberg electron orbitals by molecule formation, Phys. Rev. Lett. 115, 023001 (2015)
  A. Gaj, A. T. Krupp, P. Ilzhöfer, R. Löw, S. Hofferberth, T. Pfau
  
• Probing an Electron Scattering Resonance using Rydberg Molecules within a Dense and Ultracold Gas, Phys. Rev. Lett. 116, 053001 (2016)
  M. Schlagmüller, T. C. Liebisch, H. Nguyen, G. Lochead, F. Engel, F. Böttcher, K. M. Westphal, K. S. Kleinbach, R. Löw, S. Hofferberth, T. Pfau, J. Pérez‐Ríos, C. H. Greene
  
• Ultracold Chemical Reactions of a Single Rydberg Atom in a Dense Gas, Phys. Rev. X 6, 031020 (2016)
  M. Schlagmüller, T. C. Liebisch, F. Engel, K. S. Kleinbach, F. Böttcher, U. Hermann, K. M. Westphal, A. Gaj, R. Löw, S. Hofferberth, T. Pfau, J. Pérez‐Ríos, C. H. Greene
  
• Photoassociation of Trilobite Rydberg Molecules via Resonant Spin‐Orbit Coupling, Phys. Rev. Lett. 118, 223001 (2017)
  K. S. Kleinbach, F. Meinert, F. Engel, W. J. Kwon, R. Löw, T. Pfau, and G. Raithel
  
• Riesenmoleküle am absoluten Nullpunkt, Phys. Unserer Zeit 48, 236–242 (2017)
  F. Meinert
  
• Ionic Impurity in a Bose‐Einstein Condensate at Submicrokelvin Temperatures, Phys. Rev. Lett. 120, 193401 (2018)
  K. S. Kleinbach, F. Engel, T. Dieterle, R. Löw, T. Pfau, and F. Meinert
  
• Observation of Rydberg Blockade Induced by a Single Ion, Phys. Rev. Lett. 121, 193401 (2018)
  F. Engel, T. Dieterle, T. Schmid, C. Tomschitz, C. Veit, N. Zuber, R. Löw, T. Pfau, and F. Meinert
  
• Rydberg Molecules for Ion‐Atom Scattering in the Ultracold Regime, Phys. Rev. Lett. 120, 153401 (2018)
  T. Schmid, C. Veit, N. Zuber, R. Löw, T. Pfau, M. Tarana, M. Tomza
  
• Precision spectroscopy of negative‐ion resonances in ultralong‐range Rydberg molecules, Phys. Rev. Lett. 123, 073003 (2019)
  F. Engel, T. Dieterle, F. Hummel, C. Fey, P. Schmelcher, R. Löw, T. Pfau, and F. Meinert
  
• Pulsed ion microscope to probe quantum gases, Phys. Rev. X 11, 011036 (2021)
  C. Veit, N. Zuber, O. A. Herrera‐Sancho, V. S. V. Anasuri, T. Schmid, F. Meinert, R. Löw, and T. Pfau
  
• Transport of a single cold ion immersed in a Bose‐Einstein condensate, Phys. Rev. Lett. 126, 033401 (2021)
  T. Dieterle, M. Berngruber, C. Hölzl, R. Löw, K. Jachymski, T. Pfau, and F. Meinert